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1、 45钢热处理前后的性能测试一、学习目标知识目标：了解热处理的含义及热处理工艺曲线；掌握钢的奥氏体化过程；熟悉奥氏体晶粒大小对钢性能的影响及细化奥氏体晶粒的措施；.明确过冷奥氏体在不同温度下转变产物的组织和性能。能力目标：熟悉钢在加热和冷却时组织变化规律，并能熟练应用钢的等温及连续冷却转变图。二、任务引入45钢具有良好的综合力学性能，主要用来制造齿轮、连杆、轴类零件。他的具体性能指标为，将45钢加热到830保温一段时间后，在不同的冷却条件下冷却，那45钢性能会发生什么变化呢？三、相关知识（一）钢在加热时的组织转变碳钢的室温组织是由铁素体和渗碳体两相组成的，只有在奥氏体状态下才能通过不同冷却方式
2、使钢转变为不同组织，获得所需要的性能。在钢的热处理工艺中，加热的目的是为了获得奥氏体组织，其晶粒大小、成分及其均匀程度，对钢冷却后的组织和性能有着重要影响。图2-2 钢在加热和冷却时的临界温度由图2-2所示相图可知，A1、A3、Acm是钢在极缓慢加热和冷却时的临界点，但在实际的加热和冷却条件下，钢的转变总有滞后现象，在加热时要高于、在冷却时要低于相图上的临界点。为了便于区别，通常把加热时的各临界点分别用Ac1、Ac3、Accm来表示；冷却时的各临界点分别用Ar1、Ar3、Arcm来表示。1.奥氏体的形成 将钢加热到Ac1或Ac3点以上，以获得全部或部分奥氏体组织的操作称为奥氏体化。以共析钢为例
3、说明奥氏体形成过程。共析钢加热到Ac1以上时，钢中珠光体将向奥氏体转变，这一过程遵循结晶过程的基本规律，是通过形核和晶核长大、残余渗碳体的溶解、奥氏体成分均匀化四个基本过程来进行的。奥氏体形成过程见图2-3所示。（a）A形核 （b）A长大 (c）残余Fe3C溶解 (d）A均匀化图2-3 共析钢的奥氏体形成过程示意图（1）奥氏体晶核的形成奥氏体的晶核优先在铁素体和渗碳体的相界面上形成。这是由于奥氏体的含碳量介于铁素体和渗碳体的含碳量之间，并且相界面处原子排列比较紊乱，位错和空位密度较高，因此有利于奥氏体的形核，如图2-3（a）所示。（2）奥氏体晶核的长大奥氏体晶核形成以后，它一面与渗碳体相接，另
4、一面与铁素体相接，通过原子的扩散，使其相邻铁素体晶格改组和渗碳体不断溶解，这样奥氏体逐渐向铁素体及渗碳体两个方向长大，如图2-3（b）所示。（3）残余渗碳体溶解在奥氏体长大过程中，铁素体比渗碳体先消失，故当铁素体完全转变为奥氏体后，仍有部分渗碳体尚未溶解，随着保温时间延长，未溶解的剩余渗碳体不断的溶入奥氏体中，直至完全消失，如图2-3（C）所示。（4）奥氏体的均匀化残余渗碳体完全溶解后，钢的组织完全成为奥氏体，但其中碳的浓度是不均匀的，原来渗碳体区域的奥氏体碳浓度高于原先铁素体区域的奥氏体，继续保温，通过碳原子的扩散逐渐形成均匀的单相奥氏体组织。亚共析钢和过共析钢的奥氏体化过程基本相同，但加热
5、到Ac1以上温度时，组织中的珠光体先转变为奥氏体，而组织中的铁素体（亚共析钢）或二次渗碳体（过共析钢），需待加热到Ac3或Acm以上时才全部溶解转变为奥氏体，最后形成均匀的单相奥氏体组织。2.影响奥氏体化的因素（1）加热温度的影响 当加热到A1点温度时，珠光体经过一个孕育期后转变为奥氏体，加热温度越高，所需孕育期就越短，而且从转变开始到转变结束的整个转变时间也变短。因此，温度升高，奥氏体速度加快。（2）加热速度的影响 加热速度越快，转变的孕育期和转变所需的时间就越短，也就是说奥氏体化的速度越快。（3）原始组织的影响 因为形核是在相界面处，所以原始组织越细，界面面积就越大，形核率就越高，故奥氏体
6、化速度就越快。（4）化学成分的影响 钢中化学成分对奥氏体化影响较大。对碳钢而言，随着碳含量的增加，渗碳体增多，铁素体与渗碳体的相界面增大，有利于奥氏体形核，加速奥氏体形成。一般说来，钢中加入合金元素（如铬、钨）后，使铁、碳原子的扩散速度减慢，故合金元素一般都使奥氏体化过程减慢。3.奥氏体晶粒长大及影响因素 钢的奥氏体晶粒大小直接影响冷却后的组织和性能。奥氏体晶粒均匀而细小，冷却后奥氏体转变产物的组织也均匀细小，其强度、塑性、韧性都比较高，尤其对淬火回火钢的韧性具有很大影响。因此，加热时总是力求获得均匀细小的奥氏体晶粒。（1）奥氏体晶粒的大小钢加热至珠光体完全转变为奥氏体的温度，晶粒一般尚未充分
7、长大，较为细小，被称为起始晶粒。但是，准确控制完成奥氏体化的温度和时间，实际上是很困难的。在实际的加热条件下获得的奥氏体晶粒大小，称为实际晶粒度。通常实际晶粒度都大于起始晶粒度。为了测定和比较奥氏体晶粒大小，GB6394-86金属平均晶粒度测定法规定，晶粒度级别分为00、0、1、10级共12级。级数高，晶粒细。（2）影响奥氏体晶粒大小的因素不同的外在因素对奥氏体晶粒长大都有促进或抑制作用，主要的影响因素有以下方面：加热温度和保温时间的影响：加热温度愈高，保温时间愈长，则晶粒愈容易长大，其中加热温度的影响最大。在一定温度下，晶粒长到一定程度后，再延长保温时间，晶粒度变化也不大。因此，在实际生产中
8、应首先注意加热温度的控制。加热速度的影响：进行连续加热时，加热速度越快，到达某个温度所经历的时间越短，相当于钢在较高温下作短时间加热，晶粒形成后还来不及长大，加热过程便告结束。在实际生产中，常利用这种快速短时加热来细化奥氏体晶粒。化学成分的影响：钢中含碳量增加，F和Fe3C相界面增多，加速了奥氏体的形成。合金元素的影响较复杂，大多数合金元素（如铬、钨、钼、钛等）都阻碍奥氏体晶粒长大，所以合金钢的加热温度范围要比碳钢宽。但锰、磷等元素，则有加速晶粒长大的倾向。原始组织的影响：一般奥氏体化速度快的组织，完成奥氏体化后容易晶粒粗大。因此，工具钢、滚动轴承钢等合金钢，要求热处理前的原始组织是球状渗碳体
9、，而不希望是易溶解转变的片状渗碳体组织。其目的是热处理后能获得性能较好的细晶粒组织。（二）钢在冷却时的转变钢经加热获得奥氏体组织后，如在不同的冷却条件下冷却，最后可使钢获得不同的力学性能。根据冷却方法的不同，奥氏体转变可以分为两种，即连续冷却转变和等温冷却转变，如图2-4所示。连续冷却转变是将已经奥氏体化的钢，以不同的冷却速度，如空冷、炉冷、油冷和水冷等，连续冷却到室温，使之发生转变；等温冷却转变就是将奥氏体过冷到A1以下，在某一温度保持一定时间，在等温过程中进行的转变。 图2-4 冷却方式示意图 图2-5 等温转变图（又称TTT图）奥氏体在A1线以上温度为稳定组织，而冷却至A1以下还未发生转
10、变的奥氏体，处于不稳定的过冷状态，通常称这种不稳定的过冷状态奥氏体为过冷奥氏体。在低于A1某一温度下，保温足够时间，就会发生组织转变。过冷奥氏体在不同过冷度下的等温过程中转变温度、转变时间与转变产物量（转变开始和终了）的关系曲线图称为等温转变图，也称C曲线图或TTT曲线图，如图2-5为共析钢的等温转变图。（1）过冷奥氏体等温转变图的分析由图2-5可知，在A1以上是奥氏体稳定区域。aa为过冷奥氏体转变开始线，在转变开始线左方是过冷奥氏体区（这一段时间称为孕育期）；bb为过冷奥氏体转变终止线，在转变终止线右方，转变已经完成，是转变产物区；在aa线与bb线之间是过渡区，转变正在进行中。在等温转变图的
11、下方有两根水平线，Ms称为上马氏点，约230，Mf称为下马氏点，约-50。在等温转变图上的 “C”字曲线转弯处（约550）俗称“鼻尖”，孕育期最短，此时奥氏体最不稳定，最容易分解。（2）过冷奥氏体等温转变产物组织和性能高温转变区（珠光体型转变区）：过冷奥氏体在A1线至550温度范围的转变产物为铁素体和渗碳体片层相间的珠光体型组织。其中，A1-650范围为粗片珠光体组织；650600范围为细珠光体组织，称索氏体（S）；600550范围为极细珠光体组织，称托氏体（T）。这三种高温转变产物，在组织形态和性能上有差异，但其相结构没有本质的不同，均属珠光体组织，其显微组织如图2-6、2-7。共析钢高温转
12、变产物性能见表2-1。 图2-6 索氏体显微组织 图2-7 托氏体显微组织表 2-1 共析钢珠光体变形所形成的组织组织名称符号形成温度范围（）大致片层间距（）硬度（HRC）珠光体PA16500.60.825索氏体S6506000.10.32535托氏体T6005500.13540中温转变区（贝氏体型转变区）：过冷奥氏体在550至Ms线温度范围的转变产物为贝氏体组织，是过饱和铁素体和渗碳体组织的多相复合组织。当转变温度为550350时，为板条状过饱和铁素体之间分布着细小渗碳体的羽毛状组织（图2-8），称为上贝氏体（B上），由于上贝氏体力学性能差，故无实用价值；而在350Ms线范围内，转变产物为针
13、片状的下贝氏体（B下），其强度和硬度高，并有良好的塑性和韧性，是一种综合力学性能好的组织，如图2-9所示。 图2-8 上贝氏体显微组织 图2-9 下贝氏体显微组织低温转变区（马氏体型转变区）：当奥氏体被连续急冷至Ms线以下温度时，由于过冷度很大，原子扩散困难，过冷奥氏体发生特殊的马氏体转变。马氏体组织是碳在-Fe中的过饱和固溶体，用“M”表示。马氏体具有很高的硬度和强度，耐磨性也很高。由于马氏体转变速度很快，转变温度很低，所以马氏体转变一般不能全部完成，部分奥氏体被转变的马氏体所包围而难于转变。这部分残留下来未来得及转变的奥氏体，称为残余奥氏体。马氏体和残余奥氏体都是不稳定组织，需要进行专门的
14、稳定处理，否则，不稳定的组织直接影响零件形状、尺寸和性能的稳定。马氏体的组织形态和性能，因其碳的过饱和度不同而有很大差异。碳的过饱和度大（wc1.0%）,马氏体呈片针状，称片状马氏体或针状马氏体；过饱和度小的马氏体（wc0.20%），呈板条状，称板条马氏体；过饱和度中等，则为片状和板条状马氏体的复合组织。板条状马氏体和片状马氏体显微组织如图2-10、2-11所示。 图2-10 板条状马氏体显微组织 图2-11 针状马氏体显微组织在钢的所有组织中，马氏体的比容最大，而奥氏体的比容最小，所以当奥氏体转变为马氏体时，体积就要增大，造成零件在淬火时发生变形或开裂，这是热处理时需要重视的问题。 四、任务实施把45钢加热到830，保温一段时间后，分别在不同条件下冷却，钢的机械性能见表2-2。可见，同样的钢，加热条件相同，但在不同的冷却速度条件下会得到不同的机械性能。表2-2 不同冷却速度对45钢机械性能的影响冷却方式随炉冷却53028032.549.51518空气冷却670720310181845501824油冷却9006201820484050水冷却11007207812145260五、经验交流用等温转变图估计连续冷却转变产物的方法实际生产中，冷却一般不是等温进行而是连续进行的，共析钢连续冷却转变曲线如图2-12所示，即等温转变曲线向右下方移了一些，没有贝氏体转变区。因为连续冷却转变图的测
